探討城市暴雨模擬研究

楊毅

（四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都610065）

探討城市暴雨模擬研究

楊毅

（四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都610065）

快速城市化改變了城市的水循環(huán)，加劇了城市暴雨洪澇問(wèn)題。對(duì)城市雨洪地面產(chǎn)匯流計(jì)算，城市暴雨集水模擬研究的水文學(xué)、水動(dòng)力學(xué)方法現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，介紹了城市雨洪模型的發(fā)展歷程，分析了適用性較好的SWMM、InfoWorks、MIKE等雨洪模型的應(yīng)用現(xiàn)狀，以此為現(xiàn)階段城市洪水模擬的運(yùn)用提供參考。

城市雨洪；地表產(chǎn)流；地表匯流；雨洪模型

目前城市暴雨產(chǎn)生的內(nèi)澇問(wèn)題已經(jīng)對(duì)城市正常運(yùn)轉(zhuǎn)構(gòu)成了威脅，并引起全世界普遍的關(guān)注。城市暴雨積水模擬是一個(gè)復(fù)雜的時(shí)空模擬問(wèn)題，由于下墊面的復(fù)雜性，加大了城市區(qū)域的模擬難度。城市防洪減災(zāi)的有效性很大程度上依賴于模擬的精度、廣度。城市暴雨積水模擬問(wèn)題，屬于水文水力學(xué)的新興研究方向，根據(jù)普通積水的模擬方法在城市區(qū)域進(jìn)行適應(yīng)性改造，主要有水文學(xué)、水力學(xué)以及耦合的水文水力學(xué)三類方法。水文學(xué)方法開(kāi)展時(shí)間較早，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，水力學(xué)方法也逐漸被應(yīng)用到城市雨洪模擬中來(lái)，且由于兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，又具有互補(bǔ)性，將兩種方法耦合起來(lái)發(fā)展成的水文水動(dòng)力學(xué)方法逐漸受到廣泛的關(guān)注。

1 城市暴雨模擬計(jì)算

（1）地表產(chǎn)流計(jì)算。城市暴雨模擬計(jì)算分為產(chǎn)流、匯流計(jì)算兩方面。城市下墊面種類繁多且分布規(guī)律復(fù)雜，由此引起產(chǎn)流計(jì)算的諸多不便。產(chǎn)流過(guò)程考慮雨水落到下墊面之后進(jìn)行下滲及蒸發(fā)后如何形成直接徑流。城市下墊面分為透水和不透水地面，透水地面計(jì)算方法有徑流系數(shù)、SCS、Green-Ampt和概念性降雨徑流法，不透水地面采用降雨量扣除截留、洼地填洼等損失，但目前產(chǎn)流計(jì)算的精度有待提高。陳洋波等開(kāi)展了東莞市內(nèi)澇預(yù)報(bào)模型研究，運(yùn)用產(chǎn)流計(jì)算模塊將地面分為透水和不透水地面，并采用不同方法進(jìn)行單元網(wǎng)格上的產(chǎn)流計(jì)算。

（2）地表匯流計(jì)算。地表匯流過(guò)程指排水區(qū)域所產(chǎn)生的地表徑流匯入集水口的過(guò)程，其包含流域、地下、河道和管網(wǎng)匯流，其具有匯流面積不均勻，邊界不明顯，水文水力條件復(fù)雜等特點(diǎn)，解決方法分為水文學(xué)和水動(dòng)力學(xué)兩類。水動(dòng)力學(xué)法建立在微觀物理定律上，在連續(xù)性和動(dòng)量方程基礎(chǔ)上求解圣維南方程組，模擬坡面的匯流過(guò)程；水文學(xué)法建立在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，將匯水流域當(dāng)作一個(gè)黑箱系統(tǒng)，建立輸入與輸出的關(guān)系，模擬坡面匯流過(guò)程。

水文模型法依據(jù)水量平衡，運(yùn)用模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)反映經(jīng)過(guò)流域時(shí)下滲，產(chǎn)、徑流的過(guò)程。水文學(xué)法常用有傳統(tǒng)推理、等流時(shí)線、瞬時(shí)單位線、線性水庫(kù)及非線性水庫(kù)法。宋曉猛等對(duì)水文學(xué)法做了詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)推理法只關(guān)注洪峰而不關(guān)注流量過(guò)程變化，等流時(shí)線法對(duì)于城市地面匯流計(jì)算劃分相對(duì)較難，瞬時(shí)單位線法無(wú)法非線性化處理，線性水庫(kù)法不考慮過(guò)程的非線性特征，非線性水庫(kù)法物理概念明確，計(jì)算精度相對(duì)較高。物理分析途徑著重于研究物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，基于連續(xù)、能量和動(dòng)量方程來(lái)建立函數(shù)。水動(dòng)力學(xué)模型需要充分的初始資料和邊界條件，且計(jì)算過(guò)程繁瑣，推廣困難。目前，一維模型主要用來(lái)模擬河流的水流運(yùn)動(dòng)過(guò)程，但需要具有線性特征的流動(dòng)路線，城市地區(qū)的水流運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，還需要考慮人工建筑物，模型存在明顯的局限。二維模型能夠較好地模擬水平漫流過(guò)程，但模型應(yīng)用需要高分辨率的地形數(shù)據(jù)支持，并且其在表征地表形態(tài)方面具有困難。為解決一、二維模型分別使用時(shí)遇到的空間分辨率和計(jì)算精度問(wèn)題，水文——水動(dòng)力耦合模型成了新的發(fā)展方向。宋曉猛等認(rèn)為運(yùn)動(dòng)波計(jì)算簡(jiǎn)單，適應(yīng)于坡度大、回水影響小的管道，峰值不會(huì)衰減，擴(kuò)散波不適用于各種流態(tài)共存的城市管網(wǎng)的水流運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力波計(jì)算精度較高，適用性廣，考慮峰值在管道中傳播的衰減，但資料要求較高。申紅彬認(rèn)為坡面流作為一種特殊的淺層水流，沿程不斷有動(dòng)、質(zhì)量源匯入，規(guī)律十分復(fù)雜，且模型不少參數(shù)仍需要通過(guò)率定才能確定，離大范圍的推廣應(yīng)用尚有一定距離。

2 城市雨洪模型

歐美國(guó)家較早開(kāi)始城市雨洪管理模型的研制，并用于處理大流域水資源規(guī)劃，然后逐漸從基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的黑箱模型發(fā)展到基本的城市雨洪管理模型，這些模型有：暴雨雨水管理模型（SWMM）、處理與溢流模型（STORM）、美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)的蓄水沃林福特模型（WALLINGFORD）、公路研究所法（TRRL）和水文計(jì)算模型（HSPF）等。隨理論研究的深入，SWMM、InfoWorks等模型在處理大流域問(wèn)題時(shí)，可以將其分成小的匯水區(qū)，達(dá)到解決下墊面屬性及降雨資料隨空間分布不均勻的問(wèn)題，稱為半分布式模型。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，全分布式水文模型的概念逐漸被重視，其將整個(gè)計(jì)算流域分為一個(gè)個(gè)柵格，每格賦予具有嚴(yán)格物理意義的參數(shù)，比較精準(zhǔn)地描述下墊面屬性信息。文章對(duì)應(yīng)用較廣的典型模擬軟件進(jìn)行分析介紹。

SWMM是美國(guó)環(huán)保署研制的模擬城市雨洪過(guò)程的綜合性數(shù)學(xué)模型，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的分布式水文模型，由4個(gè)計(jì)算和1個(gè)服務(wù)模塊組成。計(jì)算模塊分別為徑流、輸送、擴(kuò)充輸送和儲(chǔ)存/處理模塊，通過(guò)計(jì)算模塊的運(yùn)行，SWMM可以對(duì)地面徑流，排水管網(wǎng)以及污水處理單元進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，服務(wù)模塊的主要功能是進(jìn)行一些計(jì)算后的處理，主要分透水地面、有滯蓄和無(wú)滯蓄的不透水地面三個(gè)部分。胡莎等基于山前平原城市的自然地理及水系條件，運(yùn)用SWMM在規(guī)劃土地利用條件下進(jìn)行水系排澇演算，模擬結(jié)果滿足10年一遇河道排澇要求，可以為水系排澇規(guī)劃提供相應(yīng)依據(jù)。

InfoWorks是Wallingford軟件公司開(kāi)發(fā)的雨洪模型，能用于城市流域環(huán)境影響評(píng)價(jià)、積水分析，開(kāi)展二維地表洪水驗(yàn)算，可以與GIS實(shí)現(xiàn)對(duì)接，提高前處理的效率、后處理的計(jì)算速度，具有采用分布式模型模擬降雨徑流過(guò)程，基于子集水區(qū)劃分不同產(chǎn)流特性的表面組成進(jìn)行徑流計(jì)算的特點(diǎn)。宋翠萍等利用InfoWorks對(duì)幾乎無(wú)排水管網(wǎng)的香山地區(qū)進(jìn)行二維模型構(gòu)建，模型驗(yàn)證結(jié)果與實(shí)地調(diào)研情況相符，對(duì)區(qū)域防洪風(fēng)險(xiǎn)分析具有借鑒意義。

3 結(jié)語(yǔ)

城市暴雨模擬是城市水文學(xué)研究的熱點(diǎn)，模擬技術(shù)經(jīng)過(guò)發(fā)展已取得了豐碩的成果，具備了較為完善的模擬框架，但在水文過(guò)程機(jī)理的認(rèn)識(shí)和數(shù)據(jù)管理能力方面還比較欠缺，在后續(xù)的工作中需要收集更多的基礎(chǔ)資料對(duì)所構(gòu)建的模型進(jìn)行驗(yàn)證，且需要跟緊計(jì)算機(jī)的技術(shù)發(fā)展，研究出能夠進(jìn)一步滿足細(xì)部流水運(yùn)動(dòng)規(guī)律城市暴雨模擬結(jié)果。

［1］胡偉賢，何文華，黃國(guó)如，等.城市雨洪模擬技術(shù)研究進(jìn)展［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2010，（1）：137-144.

［2］楊弋，吳升.城市暴雨積水模擬方法分析及研究［J］.測(cè)繪信息與工程，2009，（1）：35-37.

［3］徐向陽(yáng)，劉俊，郝慶慶，等.城市暴雨積水過(guò)程的模擬［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2003，（2）：193-196.

［4］陳洋波，周浩瀾，張會(huì)，等.東莞市內(nèi)澇預(yù)報(bào)模型研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2015，（5）：608-614.

［5］鄒霞，劉佳明，張艷軍，等.城市地表雨水匯流運(yùn)動(dòng)波計(jì)算方法研究［J］.水文，2015，（2）：12-16.

［6］任伯幟，鄧仁建.城市地表雨水匯流特性及計(jì)算方法分析［J］.中國(guó)給水排水，2006，（14）：39-42.

［7］宋曉猛，張建云，王國(guó)慶，等.變化環(huán)境下城市水文學(xué)的發(fā)展與挑戰(zhàn)——II.城市雨洪模擬與管理［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2014，（5）.

［8］邊易達(dá).基于HEC-HMS和SWMM的城市雨洪模擬［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2014.

Study on the Simulation of Urban Rainstorm

YANG yi
（School of Architecture and Environment，Sichuan University，Chengdu，Sichuan 610065，China）

Rapid urbanization has changed the water cycle of the city，which has aggravated the problem of urban flood and flood.This paper introduces the present situation of hydrological and hydrodynamic methods in the study of urban flood and floods the development history of urban rainwater flooding model，and analyzes the applicability of SWMM，InfoWorks，MIKE and so on，so as to provide reference for the application of urban flood simulation at this stage.

urban rainwater；surface runoff；surface confluence；rainwater model

TV124

A

2095-980X（2017）03-0090-01

2017-03-08

楊毅（1993-），男，碩士研究生，主要從事雨水處理和脫氮除磷研究工作。